（通信与信息系统专业论文）基于非接触式ic卡的读卡器的设计与开发.pdf

武汉理f ：大学硕士学位论文 摘要 非接触式i c 是i c 卡领域的一项新兴技术，它是射频识别技术和i c 卡 技术相结合的产物。出于a # 接触式i c 卡具有操作快捷、抗干扰性强、工作距离 远、安全性高、便于“卡多用”等特点，在自动收费、身份识别和电予钱包 等领域具有接触式i c 卡所无法比拟的优越性，具有广阔的市场前景。非接触式 l c 卡读卡器是非接触式i c 卡应用系统的关键设备之一。基于实际应蠲项目的 需要，本课题开发了一种读写距离为2 0 1 0 0 m m 的非接触式i c 卡读卡器，通 过不潮的软件配置，可以在同一个硬件电路基础一实现读取t y p e a 和t y p eb 两种卡片，或者是对t y p ea 的卡片进行离层操作。它可以应用予门禁控制、 电子消费场合，如食堂售饭、公交和地铁电子售票等场合。 本文首先对非接触式i c 卡进行了概述，介绍了其特点、种类、国际标准、 关键技术、典型应用和发展趋势；在此基础上详细说明了m f li c $ 5 0 的一些内 部特征，包括三步认证过程、内部存储区结构特点和访问方式与权限；随后介 绍了非接触式l c 卡的i s 0 1 4 4 4 3 协议，重点讨论了t y p ea 和t y p eb 的防冲 突过程，并结合过程给出了相应的实铡与图片。在对硬件电路的设计的简命中， 对电源供应电路、l e d 状态显示电路、蜂鸣器驱动电路、r s 2 3 2 通信电路和读 卡器天线都做了一定的描述，给出了部分电路。硬件中最关键的是m fr c5 3 1 芯片，它的特性和一些读卡过程中关键的寄存器的设置，与读卡过程紧密相关 通过改变设置可以实现多协议读卡的功能。 潆题设计的重点和刨新之处就是读卡器的软件设计，整个读卡嚣的软俘设 计过程经历了三个阶段：擎协议的门禁读卡器、多协议的读卡器、一卡通中的 发卡与读写卡设备。三个阶段在主程序设计和读写模块的设计上都是共通的， 但是又有各自不同的蠼计重点：单协议的门禁读卡器的设计重点在于读卡的稳 定性、有效性以及对卡号的正确输出；多协议的读卡器的设计重点放在了对 t y p eb 卡的防冲突功熊的实现及有效性上；一常通中的发卡与读写卡设备的设 计重点则是下位机与上位机之间的通信、对卡片内数据的操作和安全机制的设 置。文章最后对目前漾题设计中的优点和不足避行了归纳和总结。 关键词：非接触式i c 卡，读卡器 m fr c 5 3 1 ，p i c l 6 f 8 7 6 武汉理t = 大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t a c t l e s si n t e g r a t e dc a r da r ean e wt e c h n o l o g yi ni cf i e l d ；i ti st h er e s u l to f c o m b i n i n gr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o na n di c i th a sc h a r a c t e r i s t i co ff a s t o p e r a t i o n ，s t r o n ga n t i - j a m m i n g ，w o r k i n gm e t h o d o fc o n t a c t l e s s ，h i i g hs e c u r i t y , v a r i o u s a p p l i c a t i o n s n o w c o n t a c t l e s si n t e g r a t e dc a r d sh a v ew i d em a r k e ta n da b s o l u t e p r e d o m i n a n c ei na r e a so fa u t o m a t i cc h a r g i n g ，i d e n t i f i c a t i o na n de l e c t r i c a lp u r s e c a r d r e a d e r so fc o n t a c t l e s si n t e g r a t e dc a r da r et h ep i v o t a ld e v i c ei na p p l i c a t i o ns y s t e m so f c o n t a c t l e s si c d e s i g n i n gac a r dr e a d e ro fc o n t a c t l e s si cw h o s ed i s t a n c eo fr e a d i n gi s 2 0 m mt ol o o m m ；i tn o to n l yc a nr e a dc a r do ft y p eaa n dt y p eb b u ta l s oc a nd o h j g hl e v e lo p e r a t i o n st oc a r do ft y p ea i tc a nb eu s e di nc o n t r o la n de l e c t r i c a l c o n s u m p t i o n ，s u c ha ss e l l si ne a t e r y , e l e c t r i c a lt i c k e t si nt r a n s p o r ta n du n d e r g r o u n d r a i l w a y f i r s to fa l l ，s e v e r a la s p e c t so fc o n t a c t l e s si ca r eb ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g c h a r a c t e r i s t i c ，c l a s s e s ，i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s ，k e yt e c h n o l o g i e s ，r e p r e s e n t a t i v e a p p l i c a t i o n sa n dt r e n do fd e v e l o p m e n t ；s o m ei n t e r i o rc h a r a c t e r i s t i c ，i n c l u d i n gt h r e e s t e p so fa u t h e n t i c a t i o n sa n do r g a n i z a t i o no fm e m o r i e sa r eb ei n t r o d u c e di nd e t a i l s t h ei s o1 4 4 4 3p r o t o c o l sa r ee x p l a i n e d ，i n c l u d i n gp h y s i c a la n de l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c a n dt h ea n t i c o l l i s i o nf l o w so ft y p eaa n db t h ei n t r o d u c i n go fh a r dw a r p sa r e i n c l u d e dp o w e rs u p p l y , l e dc o n t r o l ，b e e pc o n t r o l ，r s2 3 2i n t e r f a c ea n da n t e n n ao f c a r dr e a d e r m fr c 5 3 1i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h i sd e s i g n ，i t s c h a r a c t e r i s t i ca n ds o m er e g i s t e r sh a v i n gs o m e t h i n gt od ow i t hr e a d i n gc a r d s t h ec a r d r e a d e rc a nr e a dt w ot y p e sc a r d sb ys e t t i n gd i f f e r e n tv a l u e t h ed e s i g no fs o f tw a r ei sm o s ti m p o r t a n t ，a tt h es a m et i m ei ti st h ei n n o v a t i o n t h e r ea r et h r e es t e p si nt h ed e s i g n i n go fs o f tw a r e ，i n c l u d i n gs i m p l yp r o t o c o lc a r d r e a d e r , m u l t i p l e xp r o t o c o l sc a r dr e a d e ra n dd e v i c e so fo n e c a r ds y s t e m s t h e yh a v e c o m m o mp a r t so fm o d u l e s ，b u td i f f e r e n rp i v o t s t h e p i v o to ff i r s ts t e pi ss t a b i l i t ya n d v a l i d i t yo fr e a d i n gc a r d s ，t h ep i v o to fs e c o n ds t e p si sa n t i c o l l i s i o no ft y p eb ，t h e p i v o to ft h i r ds t e p si st h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nc a r dr e a d e ra n dp c ，o p e r a t i o no f v a l u e si nc a r d s ，a n ds e c u r i t ym e c h a n i s m a tt h ee n d ，i ti st h es u m m a r ya d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h ed e s i g n k e y w o r d s ：c o n t a c t l e s si c ，c a r dr e a d e lm fr c 5 3 1 ，p i c l 6 f 8 7 6 l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也4 i 包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：牲日期： 关于论文使用授权的说明 刎至腔旦 本人完令了解武汉珊工大学有关保留、使用学位沦文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公们论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盗妞导师签名 牲蜘 武汉理 二大学硕十学俜沦文 第1 章引言 1 1 课题研究背景和意义 i c 卡是集成电路卡( i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 的英文简称，在有些国家也称 之为智能卡、智慧卡、微芯片卡等，l c 卡是在较为原始的磁卡的基础上发展起 来的，它的最初设想是由日本人提出来的。1 9 6 9 年1 2 月，日本的有村国孝 ( k u n i t a k aa r i m u r a ) 提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于1 9 7 0 年获得专 利，那时叫l d 卡( i d e n t i f i c a t i o nc a r d ) 。1 9 7 4 年，法国的罗兰莫雷诺( r o l a n d m o r e n o ) 发明了带集成电路芯片的塑料卡片，并取得了专利权，这就是早期的 i c 卡。1 9 7 6 年法国布尔( b u l l ) 公司研制出世界第一枚i c 卡【1 6 1 。 早期的l c 卡是接触式的，它有其本身不可克服的缺点，如接触磨损、交易 速率慢、难以维护、基础设施投入大等。随着信息业和服务业的全球化，在一 些场合，对信息载体的便携性、安全性及易用性等方面提出更高的要求，于是 非接触式i c 卡以其无机械磨损、容易维护、方便使用等优点，成为i c 卡中潜 力最大的新军而备受国内外业界的瞩目。 非接触式i c 卡是当今世界先进的射频技术和i c 卡技术相结合的产物，是 世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和i c 技术结 合起来，解决了无源( 卡中无电源) 和免接触这一难题，是电子器件领域的一 大突破，使卡片在靠近读写器表面时即可完成卡中数据的读写操作。非接触式 l c 卡一经问世，便立即引起广泛的关注。非接触式i c 卡操作方便、快捷、抗 干扰性高、可靠性高、安全性高的特点，使得它在一些接触式i c 卡不适用或者 无法使用的场所，具有无可比拟的优势，被广泛应用于电子钱包、铁路、地铁、 公交、轮渡、高速公路、一般路桥收费、食堂售饭收费、门禁系统、考勤系统、 身份证等领域f ”。 目前非接触式l c 卡有很多不同的标准，如i s 0 1 4 4 4 3 a 和i s 0 1 4 4 4 3 b 等，符 合不同标准的卡片在不同的领域内相互渗透和竞争。卡片类型的多样性决定了 读卡器的多样性，而市场的多样性则决定了，即使是同类型的应用，也可能使 用不同类型的卡片。若读卡器只能读取某一种类型的卡片，那么在处理这个应 武汉理r 大学硕十学位论文 用时5 ，必将需要多台读卡器，造成资源的重复浪费，这样的读卡器必将不能适 应市场的需求，这就对读卡器的读卡能力提出了更高的要求。设计出一种能读 取多种类型卡片的读卡器，既是市场应用的需求，也是未来的发展趋势。目前， 读卡器已经开始大量应用于各种“一卡通”系统中，这些应用对读卡器的功能 要求越来越高，除了传统的对卡号的读取之外，需要能够对卡片进行更高层的 数据操作，与p c 设备之间能进行信息交流。为了适应这种发展趋势，非接触式 1 c 卡的读卡器的开发与设计也迅速发展起来。 1 2 国内外发展状况 智能卡的发展历史并不久远，且全球各地发展不均衡，其中欧洲发展得最 早、最好。在中国，智能卡在各种应用领域全面开花，目前超过1 0 个政府部门 和行业推广应用了智能卡。近年来，中国的发卡量年增长率达到3 0 至4 0 ， 已成为世界智能卡应用发展最快的国家之一。 据i n n o v a t i o n 国际发明组织统计，1 9 8 8 年1 0 月到1 9 8 9 年9 月全世界l c 卡 硬件产业中，l c 卡及其读写设备数量分别为4 2 0 0 万张和8 7 7 0 0 台，其中法国分 别占9 8 和7 1 ，处于世界领先地位 3 7 1 。 目前，法国生产制造的i c 卡不仅在数量上领先各国，其应用领域也灵活多 样，如在金融、电信、医疗、保险、旅游、游戏和交通运输等各个领域都有i c 卡的应用。其中，电子金融卡及电话卡已达到经济生产规模。 我国对l c 卡行业的发展始于1 9 9 3 年左右，当时的中央领导特别是江泽民同 志高度重视i c 卡行业，高瞻远瞩，指示要发展我国自己的i c 卡事业，建立“金 卡工程”。虽然至今也只有短短的十几年左右时间，但己取得了不小的成就。目 前在我国，随着金卡工程建设的不断深入发展，i c 卡已在众多领域获得广泛应 用，并取得了初步的社会效益和经济效益。2 0 0 0 年，全国i c 卡发行量约为2 3 亿张，其中电信占据了大部分市场份额。公用电话i c 卡1 2 亿多张，移动电话 s i m 管超过4 2 0 0 力张，其它各类i c 卡约6 0 0 0 万张。2 0 0 1 年i c 卡总出货量约 3 8 亿张，较上年增长2 6 ：发行量约3 2 亿张，较上年增长4 0 。从应用领域 来看，公用电话i c 卡发行超过1 7 亿张，s i m 卡发行5 5 0 0 万张，公交i c 卡为 3 2 0 万张，社保领域发卡为1 4 0 0 力张，其它发卡为8 0 0 0 万张。已研制成功我国 自主版权的较大容量的存储卡，逻辑加密卡等。 2 武汉理1 ：大学硕十学位论文 尽管i c 卡的发行量保持了较高的增长率，但市场销售额在i t 市场中的比重 还很小。据c c i d 统计，2 0 0 1 年我国计算机市场销售额约2 5 0 2 亿元，而i c 卡 市场销售额不到2 l 亿元。i c 卡市场还构不成我国i t 业的亮点，对i t 市场的拉 动作用并不明显。这一方面制约i t 企业对l c 卡技术的投入，另一方面，也预示 着我国i c 卡市场的巨大发展空间。随着政府管理和支持力度的加大、技术研发 水平的提升，i c 卡市场竞争格局将发生深刻的变化。由于高端芯片、核心模块、 金融p o s 机、生产设备等被国外企业所掌握，造成国外品牌对一些细分市场的 相对垄断。随着政府智能卡项目的启动，移动通信市场的逐步丌放，国内企业 技术实力和工艺流程的优化，使得国外品牌市场份额受到很大程度的限制，而 国内品牌将会有快速的发展。一些从电信市场成长起来的国内i c 卡企业，依托 雄厚的资金和技术实力，将在身份证、金融、社保、交通等领域继续拓展业务， 直接参与国际化竞争。今后的几年，是我国i c 卡应用向纵深发展的时期。我国 i c 卡市场格局必将由无序走向有序，市场竞争必将由有限走向无限，i c 卡市场 将逐步走向成熟，进入微利时代。在这种形势下，单纯的发卡量和新产品的数 量并不能衡量i c 卡产业与市场的发展水平，市场发展的程度最终取决于i c 卡 的应用水平及其带来的社会效益。但是对于尖端的c p u 卡及非接触式i c 智能射 频卡( 内建m c u ，a s i c 等) 的制卡技术及其相应的读写卡设备技术，仍处于 落后状态。这极大地制约了i c 卡行业的发展，特别是在要求有极高安全性和保 密性的金融行业中，制约了我国会卡工程的实施和发展。设计和开发出更好的 读卡设备，对加快我国i c 卡行业的发展，特别是尖端的c p u 卡及非接触式i c 智能射频卡( 内建m c u ，a s i c 等) 的推广应用，有着重大的意义。 1 3 本课题的任务 非接触式i c 卡代表了i c 卡发展的方向，同接触式i c 卡相比其独有的优 点使其能够在绝大多数场合代替接触式i c 卡的使用，而在非接触式i c 卡应 用系统中非接触式i c 卡读卡器是关键设备。实际应用项目的需要，本课题将 丌发一种基于1 s 利浦公司m fr c 5 3 1 读卡芯片的非接触式1 c 卡读卡器，其具 有以下特点： 能识别t y p e a 和t y p eb 两种卡片，读取卡号，并有防冲突功能。 能对t y p e a 的卡片进行高层操作。 典型读写距离为2 0 1 0 0 m m 。 武汉理一 大学硕十学位论文 可变的通信方式，可以使用r s 2 3 2 通信接口或者w i e g a n d 输出来与上位机 之间通信。 可根据实际需求将其作为门禁系统中的读卡器，或者一卡通系统中的读卡 器。 1 4 本文的结构安排 第1 章绪论 简要介绍课题的意义，非接触式l c 卡在国内外应用与发展情况 第2 章非接触式l c 卡 主要介绍了非接触式i c 卡的特点、类型及未来的发展趋势，重点介绍了 m f li c $ 5 0 卡片的一些内部特性 第3 章非接触式i c 卡的国际标准 简单介绍了非接触式l c 卡的国际标准，重点介绍1 s o i e c l 4 4 4 3 协议及其 中两种类型的卡片各自防冲突的过程。 第4 章读卡器硬件电路设计 分别介绍了硬件电路的各个组成部分 第5 章读卡器软件设计 主要是介绍了读卡器软件中的设计思路、各个设计阶段的重点和一些设计中 遇到的问题的解决方法。 第6 章结论与展望 归纳总结了课题研究过程中取得的成果和不足。 武汉理工人学硕士学何论文 第2 章非接触式i c 卡 2 1i c 卡的特点及分类 2 1 1i c 卡的特点 目的，用于信息处理的卡片种类繁多，而且基本上都采用了较新的技术，l c 卡脱颖而出的原因在于它相对于磁卡、p e t 卡、光卡和凸字卡等其它种类的卡 具有一下突出的特点 3 , 4 , s 1 ： ( 1 ) 存储容量大，其内部有r a m 、r o m 、e p r o m 、e e p r o m 等存储器， 存储容量可以达到几兆甚至十几兆字节； ( 2 ) 体积小、重量轻，抗干扰能力强，便于携带： ( 3 ) 安全性高。i c 卡从硬件和软件等几个方面实施其安全策略，可以控制 卡内不同区域的存取特性。存储器本身具有控制密码，非法试图对之解密则卡 片自毁，即不可进行读写；对网络的要求不高。i c 卡极高的安全可靠性使其在 应用中对计算机网络的实时性、敏感性要求低，有利于在网络质量不高的环境 中应用。 正是由于这些特点，使得i c 卡从诞生至今虽然只有短短三十多年，但其市 场却遍布世界各地。i c 卡目前已在商贸、交通、电信、医疗、卫生保健、社会 保险、金融、税务、工商、公安、组织机构代码和城市公共事业管理等许多领 域得到广泛应用，并取得了初步的社会和经济效益。它对提高现代化管理水平 和人民的生活质量，推动整个社会信息化进程具有重要作用。 2 1 2i c 卡的分类 在i c 卡诞生之后的三十多年里，随着超大规模集成电路技术、计算机技术 以及信息安全技术等的发展i c 卡种类更加丰富，技术也更趋成熟，已在国内 外得到了广泛的应用。下面将从不同的角度对i c 卡进行详细分类和简单分析。 ( 1 ) 根据镶嵌的芯片的不同来划分： 武汉理j 二大学硕士学位论文 1 ) 存储卡：卡内芯片为电可擦除可编程只读存储器e e p r o m ( e l e c t r i c a l l y e r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o r y ) ，地址译码电路和指令译码电路。常 见的存储卡有a t m e l 公司的a t 2 4 c 1 6 、a 他4 c 6 4 等。 2 ) 逻辑加密卡：该类卡片除了具有存储卡的e e p r o m 外，还带有加密逻 辑，每次读写卡之前要先进行密码验证。常见的逻辑加密卡有s i e m e n s 公司 的s l e 4 4 4 2 、s l e 4 4 2 8 ，a t m e l 公司的a t 8 8 s c l 6 0 8 等。 3 ) c p u 卡：该类芯片内部包含微处理器单元( c p u ) 、存储单元( r a m 、 r o m 和e e p r o m ) 、和输入输出接口单元。国际上比较著名的c p u 卡提供商 有g e m p l u s 、g & d 、s c h l u m b e r g e r 等。 4 ) 超级智能卡：在c p u 卡的基础上增加键盘、液晶显示器、电源，即成为 一超级智能卡，有的卡上还具有指纹识别装置。 ( 2 ) 根据卡与外界数据交换的界面可分为：接触式i c 卡、非接触式i c 卡 和双界面卡 此外还可以根据卡与外界进行交换时的数据传输方式不同和卡的应用领域 不同来划分。 2 2 非接触式i c 卡 2 2 1 非接触式i c 卡的特点 非接触式l c 卡没有机械触点，通过无线方式与读写设备进行通讯，与接 触式i c 卡相比具有如下特点1 4 】： ( 1 ) 操作快捷 操作方便、快捷。由于采用非接触无线通讯，读写器对在感应范围内的卡 就可以进行操作，使用时无需插拔卡及固定方向。操作时，卡可以放在钱包、 衣服口袋或公文包中无需拿出，大大提高了使用速度。同时，由于号与读卡器 进行通讯时的载波频率较高，卡内芯片可以工作在较高的系统时钟下，使_ 二者 的通信速率很高，完成一次操作仅需o 1 秒，这就大大提高了每次使用的速度。 ( 2 ) 高抗丁扰性 非接触式i c 卡具有防冲突机制，在多张卡片同时进入读卡器工作范围时 能够防止卡片之间出现数掘干扰，允许多张卡片同时操作，相对接触式i c 卡 增加了“并行”处理能力。 武汉理l ：大学硕士学位论文 ( 3 ) 配合具体应用具有多种工作距离 非接触式l c 卡系统可根据环境与应用对象的不同而做到作用距离不同。非 接触式i c 卡中既有作用距离为几米、可用于高速公路收费系统中的远距离卡； 又有作用距离为几厘米、可用于电子钱包的近距离卡，使得系统配置灵活多样。 ( 4 ) 高可靠性 非接触式l c 卡与读卡器之间无机械接触，这就从根本上消除了由于接触 读写而产生的各种故障，同时无需担心由于触点损坏或脱落而导致卡片失效， 提高了应用的可靠性及设备的寿命。卡中的i c 芯片和感应天线完全密封在标准 的p v c 中，提高了应用的可靠性和卡的使用寿命；而且由于无线电波不会受尘 土、潮气和震动的干扰使得非接触式i c 卡可应用在恶劣的环境。同时，由 于读卡器可以置于障碍物的后面而不影响它与卡的通讯，可以防止在接触式i c 卡的使用中对读卡器进行恶意破坏现象的出现。 ( 5 ) 可适合于多种应用 非接触式l c 卡的存储结构的特点使其可以一卡多用，能用于不同的系统， 例如，企业或机关内部员工“一卡通”，可用作考勤、食堂就餐、电话管理、停车 场、门禁等：校园卡通”，可用作学生证、借书证、消费卡、门禁“铜匙”等， 此时用户可以根据不同的应用设置不同的密码和访问条件。 ( 6 ) 高安全性 非接触式i c 卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前将此序列号固化 于卡内芯片中，不可再更改；非接触式卡与读写器之间采用双向互认验证机制， 即读写器要验证i c 卡的合法性，i c 卡也要验证读写器的合法性；使用时非接触 式i c 卡于读卡器要进行三次相互认证，而且通讯过程中所有的数据都加密， 此外，卡内各个扇区都有自己的操作密码和访问条件【2 4 】。 2 2 2 非接触式i c 卡的种类 非接触式i c 卡的种类繁多下面将从不同的角度进行详细分类和简单分 析。 ( 1 ) 按照 内集成电路的不同町分为： 存储器卡卡中的集成电路具有加密逻辑和e e p r o m ； c p u 卡卡中的集成电路包括中央处理器、e e p r o m 、随机存储器r a m 以及固化在只读存储器r o m 中的片内操作系统c o s ，有的卡内芯片还集成了 武汉理j 二人学硕士学位论文 密码运算协处理器c a u 以提高安全性和工作速度。 ( 2 ) 按照工作频率可分为： 低频卡卡与读卡器间通信使用的频段为低频段，如1 2 5 k h z ： 高频卡一一卡与读卡器间通信使用的频段为高频段，如1 3 5 6 m h z 、 9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 等。 ( 3 ) 按照工作距离可分为： 近距离卡舌与读卡器的有效作用距离为几十厘米； 远距离卡卡与读卡器的有效作用距离为几米。 ( 4 ) 按照卡内芯片的供电方式可分为： 有源卡卡内带电池； 无源卡卡内为设备，工作时由读写设备通过无线方式供电。 2 2 3 非接触式i c 卡的关键技术 非接触式i c 卡的工作特点使其在设计和制造过程中存在一些技术难点，主 要集中在芯片制造和卡片封装上，这些关键技术是： ( 1 ) 射频技术 非接触式l c 卡是射频技术和i c 卡技术相结合的产物，非接触式i c 卡的 射频技术有以下特殊要求： 由于i c 卡的尺寸限制，使大部分非接触式i c 卡的内部不带电池，需要由读 写设备通过无线方式供电，经过卡内的稳压电路产生芯片工作所需的直流电压。 由于i c 卡的尺寸限制，使得卡内天线需要特殊设计。由于允许多卡同时操 作，要求卡内射频部分具有高抗干扰性，卡内设有“防冲突”电路以解决多张 卡片互相干扰的问题。 ( 2 ) 低功耗技术 对于卡内有电池和无电池的非接触式i c 卡来说降低芯片功耗以提高卡片 寿命和保证一定的工作距离都非常重要。卡内芯片一般采取低压低功耗c m o s 工艺制造，并在电路设计中采用“休眠模式”等技术以降低功耗。 ( 3 ) 封装技术 由于非接触式j c 卡中需要封装天线、芯片和片外电容等部件，为确保卡片 的大小、厚度、柔韧性，需要特殊的封装技术。 ( 4 ) 安全技术 武汉理f ：火学硕十学位论文 非接触式i c 卡以卡用芯片的物理安全技术、卡片制造的安全技术和卡的通 讯安全技术这三个方面的内容构成其强大的安全技术。 卡用芯片的物理安全技术一通过设置高低电压检测器、低频时钟探测器、 熔丝、存储器物理保护层、存储器逻辑保护、会属化结构等措施防止对芯片存 储器和其他逻辑电路的分析，并防止再激活芯片的测试功能。 卡片制造的安全技术一将荧光安全图象印刷、微线条、激光雕刻签名和图象、 安全背景图象等技术用于i c 卡塑封表面的印制和防伪识伪。 卡的通讯安全技术通过三次相互认证、传输数据加密、设置存储区密码 和访问条件、每个：签片设置唯一序列号以及在芯片运送过程中设置传输代码防 止对数据的非法截取分析、对存储区的非法访问和对芯片的非法个人化。 2 2 4 非接触式i c 卡的发展趋势 随着非接触式i c 卡的广泛应用，这种技术得到了迅速的发展，从目前看来， 非接触式i c 卡主要有以下几个发展趋势【1 5 】： ( 1 ) 大容量 社会对“一卡多用”的迫切需求使得目前非接触式l c 卡内8 k 1 6 k 的存 储容量远远不能满足要求。将来用户携带的一张l c 卡内可以有多个分区，用 作电子钱包、电子车票、身份证和护照等电子个人身份识别、电子医疗档案、 工作证、保险证以及电话付费等许多领域，这必将促使卡内存储器的容量向更 大的方向发展。除了目前已经广泛使用的e e p r o m 存储器，国外一些公司也 丌发了些新的存储器技术，比如f l a s h + 技术和铁电技术，铁电存储器 ( f e r a m ) 有望成为未来i c 卡行业使用的主要存储器m i 。 ( 2 ) 更强的处理能力 i c 卡在各个领域的广泛应用对其处理能力提出了更高的要求，提高处理能 力的方法有两种，一是借助于具有扩展寻址模式的先进指令组，它能提高翻译 机和编译器的效率：二是向更高的具有3 2 位数据通路的m c u 发展，技术的进 步还可以使内部时钟频率从5 m h z 增加到1 0 m h z 。 ( 3 ) 高安全性 高安全性是i c 卡最大的特点之一，但l c 卡的发展使得用户对其安全性提 出了更高的要求。这一方面体现在使用更加复杂的加密方式令破译更加困难， 另一方面体现在提高卡内微处理器的速度及增加r a m 的容量使得加密过程更 武汉理工人学硕士学位论文 加短暂，以便节省用户时问。这要求未来的智能卡使用更强计算能力的处理器 来支持，这不仅对于支持嵌入式固件特别重要，而且对于确保其应用程序在一 个安全的环境中装载和运行也及其重要，具有5 1 2 位或1 0 2 4 位的公开密钥计 算能力的加密协处理器将能满足更高的安全性要求。 ( 4 ) 低功耗 无论非接触式l c 卡的内部带不带电池，卡内芯片的低压低功耗设计都是非 常重要。对于有源非接触式i c 卡可以延长电池的使用时间，即延长卡的使用 寿命；对于无源非接触式i c 卡可以增加卡的工作距离。 ( 5 ) 远距离 由于远距离卡在使用速度和方便性上都超过了近距离卡，使其成为非接触式 i c 卡发展的必然趋势。 ( 6 ) 发展复合式l c 卡 复合式卡也成为双界面卡，既有触点也有天线，所以既能提供接触式使用， 又能提供非接触式使用，使用更加灵活方便。现在很多国际大公司都开发成功 了双界面i c 卡，并已投入使用 3 3 1 。 2 3m f li c $ 5 0 本读卡器可以读t y p e a 和t y p e b 的卡，实际操作过程中使用的t y p e a 的卡是p h i l i p s 公司的m f li c $ 5 0 ；t y p eb 的卡有a t m e l 公司的，也有握奇公 司的双界面卡，其中由于t y p e a 做到了高层操作，t y p e b 只做到了读取u i d 的阶段，所以重点介绍p h i l i p s 公司的m f li c $ 5 0 。 m i f a r e1i c 智能( 射频) 卡的核心是p h i l i p s 公司的m i f a r ei1 c $ 5 0 ( 一o1 , - 0 2 ， 一0 3 ，0 4 ) 系列微模块( 微晶片) ，它确定了卡片的特性以及卡片读写器的诸多性能。 m i f a r e1i c 智能( 射频) 卡采用先进的芯片制造工艺制作，内建有高速的c m o s e e p r o m ，m c u 等。昔片上除了i c 微晶片及一副高效率天线外，无任何其他元 件。卡片上无源f 无任何电池) ，工作时的电源能量由t - 片读写器天线发送无线电 载波信号祸合到卡片 二天线而产生电能，一般可达2 v 以上，供卡片上的i c 工 作。工作频率1 3 5 6 m h zm i f a r e1 射频卡所具有的独特的m i f a r er f ( 射频h e 接 触式接口标准已被制定为国际标准：i s o i e c1 4 4 4 3t y p ea 标准f 3 8 1 。 m f li c $ 5 0 是多应用的智能卡，它使用起来方便、高速、安全，经常应用 在支付领域，它与读写器通信使用握手式半双工通信协议；卡片上有高速的c r c l o 武汉理上人学硕士学位论文 协处理器，符合c c r r r 标准。卡片制造时具有唯一的卡片序列号，没有重复的 相同的两张m i f a r e 卡片。卡片上内建8 k ( b j t ) e e p r o m 存储容量并划分为 1 6 个扇区，每个扇区划分为4 个数据存储块。每个扇区可由多种方式的密码来 管理。卡片上还内建有增值减值的专项的数学运算电路，非常适合公交、地铁 等行业的检票收费系统。典型的检票交易时问最长不超过l o o m s ( 0 1 秒) ( 包括卡 片的认证，6 个扇区的读( 7 6 8 b i t ，2 个扇区的认证) ，2 个扇区的写操作( 2 5 6 b i t ) ) 。 卡片上的数据读写可超过1 0 万次以上；数据保存期可达1 0 年以上。 2 3 1m f li cs s 0 与读卡器的通信机制与安全性 非接触式i c 卡上电后，首先进入初始状态，等待读卡器发出请求指令，执 行相应的操作。进行读写操作之前，需要进行从请求应答到相互认证的过程。 如果这个过程发生错误或者中断，对卡片的读写操作将不能进行。 上述操作都是由卡中的有限状态机控制，它一方面将读卡器的指令接收、识 别，另一方面对当前的工作状态进行分析，发现满足指令执行的条件，就执行 读卡器指定的操作；如果发现指令不满足执行条件，有限状态机将控制卡向读 卡器发出出错信息，并将工作状态返回至初始状态。读卡器要再对该卡进行操 作，只有从头开始，直到所有的步骤满足条件并执行为止，所以认证是整个高 层操作中必不可少的一个环节，也是最重要的一个环节，在进行任何一个高层 操作前都必须进行认证。 在这个通信机制中，m f li c $ 5 0 采用了一系列的方式来确保卡片与读卡器 间可靠的数据交换与数据的完整性。它们包括防冲突机制，1 6 位的c r c 校验， 1 6 位的奇偶校验等等，其中最重要的就是认证过程，即图中的三次相互确认模 块，其原理框图如图2 1 所示： t o k e n a b 非接触式i c 乍m i f a r e l 卡片 读弓器 。( d ) t o k e n b a 图2 1 三步认证 武汉理工大学硕士学位论文 图中所示认证过程是这样的： ( a ) 卡片向读卡器发送一个随机数r b ； ( b ) 读卡器收到r b 后向卡片发送一个令牌数据t o k e n a b ，其中包含了 读卡器产生的一个随机数r a ； ( c ) 卡片收到t o k e n a b 之后，对t o k e n a b 的加密部分进行解密，并 检查第一次在步骤( a ) 中自己发出的随机数r b 是否与t o k e n a b 解出的r b 相一致。 ( d ) 如果步骤( c ) 校验正确，卡片就向读卡器发出t o k e nb a ( e ) 读卡器在收到t o k e nb a 之后，对其中的随机数r b 和r a 进行解密， 检查收到的r b 是否与从步骤( a ) 中得到的随机数r b 相一致，收到的r a 是 否与步骤( b ) 中发出的随机数r a 相一致。 2 3 2m f li cs 5 0 中e e p r o m 的存储结构与访问权限 $ 5 0 中集成了一个1 0 2 4 个字节的e e p r o m ，这1 0 2 4 个字节分成了1 6 个扇 区，每个扇区有4 个块，每个块都有1 6 个字节。其组织结构如表2 1 所示： $ 5 0 中这6 4 个块在访问时是按绝对地址来操作的，即块地址= 扇区编号4 + 扇区内的块编号，其中扇区编号是( 0 1 5 ) ，扇区内的块编号是( o 3 ) 。 所有扇区的第3 块都是控制块，第0 个扇区中的第o 块是存放的产品代码， 这个块是6 4 个块中唯一只能读不能写的块，存放的是固化在其中的3 2 b i t 的世 界唯一的产品代码。其余1 5 个扇区的第0 到第2 块都是数据块。 ( 1 ) 控制块 表2 1 ( a ) 控制块结构 b y t e n o 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 098 7 6 54 3 2l b i t n o o 7 6 5 4 3 2 1 0 k e y s e c x b ( o p t i o n a l ) a c c e s sc o n d n l o nk e y s e c x a 表2 1 ( b ) 控制块中存取条件区存储方式 7 65 4321o c 2 x 3bc 2 x 2bc 2 x 1bc 2 x obc 1 x 3bc 1 x 2bc 1 x 1bc 1 x 0b c 1 x 3c 1 x 2c 1 x 1c 1 x 0c 3 x 3bc 3 x 2bc 3 x 1bc 3 x 0b c 3 x 3c 3 x 2c 3 x 1c 3 x oc 2 x 3c 2 x 3 2c 2 x 1c 2 x o b x 7b x 6b x 5b x 4b x 3b x 2b x lb x 0 注：x = 扇区标识( 0 】5 ) y = 块标识( 0 3 ) 武汉理丁夫学硕士学位论文 如表2 1 ( a ) 所示，控制块包含了存取数据所需要的k e ya 、可选的k e y b 以及本扇区内4 个块的存取条件，当不需要k e yb 时，这个块的最后6 个字 节可以被当作数据字节来使用。 出于安全性的考虑，存取条件c i x y 到c 3 x y 都被独立的存储了2 次，如 表2 1 ( b ) 所示。存取条件块中的最后一个字节被用来存放一些特殊的应用数 据，例如：写备份块的位置。 对于第三个块本身的存取条件，具体对应关系见表2 2 图中k e y alb 代表k e y a 或者k e y b ，如果k e y b 可以读取( 图中所有灰 色的部分) ，那么k e yb 的空间就会用于数据存储，不能用柬进行验证，因为 此时所有的进一步的存储区存取操作都将失败。一张新卡也不能用k e yb 来验 证( 厂家设置存取条件为“0 0 1 ”) 。此外还有一个需要注意的地方就是，所有 的控制块都禁止进行加法、减法、转移和恢复这些操作的。 表2 2 控制块存取条件 k e y s e c xaa c c e s sc o n d k e y s e c xb c l x 3 c 2 x 3c 3 x 3 r e a d w r i t e r e a d w n t er e a dw r i t e g ；蘸； 譬戳；。! n e w r毒嘲 k e y a拄y 群：。 i 黪擎懑： k e y a 咎“ 豁蠢二酸f ”蔼凝 ；，l l 姆e r k c v a n 掌v c r 臻2 鸶醵凌： n e v e r 1oon e v e r k e ybk e y a i b n e v e rn c v e l - k e yb 110n e v e f1 1 e v e r k e y a i b n e v e r n e v e r n e v e r 一 o重，a e v e r_ k e y a k e y a妇擎磊 凄穆焱v k e y a o 11n e v e r k e y bk e y a i s k e y b n e v e r k e yb 1o1n e v e fn e v e r k e y a i b k e yb n e v e rn e v e r l1 1 n e v e rn e v e r k e y a i b n e v e rn e v e rn e v e r 控制块中的存取条件也限定了对本扇区内第o 块第2 块的存取和操作条 件，具体对应关系见表2 3 。 在卡片出厂时，k e ya 和存取条件事先都已经设定好，k e ya 只有厂家和系 统集成商知道，而存取条件设置如下： c i x 0 ，c 2 x 0 ，c 3 x 0 = 00 0 b l o c k0 ( d a t ab l o c k ) 武汉理t 大学硕十学位论文 c 1 x 1 ，c 2 x 1 ，c 3 x 1 = 000 b l o c k1 (